Joonas Träskelin
3D-TULOSTIN KOTIKÄYTTÖÖN JA TESTAUSSUUNNITTELU PAINETTAVALLE
ANTURILLE
3D-TULOSTIN KOTIKÄYTTÖÖN JA TESTAUSSUUNNITTELU PAINETTAVALLE ANTURILLE
Joonas Träskelin Opinnäytetyö Kevät 2018
Tieto- ja viestintätekniikan koulutusohjelma Oulun ammattikorkeakoulu
3
TIIVISTELMÄ
Oulun ammattikorkeakoulu
Tietotekniikan koulutusohjelma, laite- ja tuotesuunnittelun suuntautumisvaihtoehto
Tekijä: Joonas Träskelin
Opinnäytetyön nimi: 3D-tulostin kotikäyttöön ja testaussuunnittelu painettavalle anturille Työn ohjaajat: Kari Jyrkkä, Harri Määttä
Työn valmistumislukukausi ja -vuosi: Kevät 2018 Sivumäärä: 55
Oulun ammattikorkeakoulussa on ollut vuodesta 2014 lähtien mahdollista suorittaa opinnäytetyö 1- 3 osassa. Tämä opinnäytetyö on tehty kahdessa osassa, ensimmäinen 5 opintopisteen osa tehtiin keväällä 2016 ja toinen 10 opintopisteen osa tehtiin syksyllä 2017.
Ensimmäinen osa käsittelee 3D-tulostimen hankintaa kotikäyttöön. Työssä käsitellään 3D-tulosta- misen eri tekniikoita, materiaaleja sekä ohjelmistoja, joiden avulla 3D-tulostaminen mahdolliste- taan. Ensimmäisessä osassa tarkastellaan myös kotikäyttöön tulevan 3D-tulostimen kriteerejä ja oman tulostimen valintaa.
Opinnäytetyön toinen osa tehtiin Oulun ammattikorkeakoululle Smart-Fish-hankkeen edistä- miseksi. Toisessa osassa perehdytään painettavan lämpötilasensorin testaussuunnitteluun ja ka- librointiin. Tehtiin testaussuunnitelma ja suoritettiin sen mukaiset testit. Kalibrointisuunnitelman ta- voitteena oli helpottaa tulevaisuuden työmäärää tekemällä valmis taulukko, jonka mukaan on helppo valita oikeanlainen vastusarvo anturin ominaisuudet huomioon otettaessa, jolloin saadaan anturi näyttämään oikeaa lämpötila-arvoa.
Asiasanat: koosteopinnäyte, 3D-tulostus, painettava elektroniikka, testaussuunnittelu
4
SISÄLLYS
TIIVISTELMÄ ... 3
SISÄLLYS ... 4
1 JOHDANTO ... 5
2 OPINNÄYTETYÖN ENSIMÄISEN OSAN ESITTELY ... 6
3 OPINNÄYTETYÖN TOISEN OSAN ESITTELY ... 7
4 YHTEENVETO ... 8 LIITTEET
Liite 1. 3D-tulostin kotikäyttöön
Liite 2. Testaussuunnittelu painettavalle anturille
5
1 JOHDANTO
Oulun ammattikorkeakoulussa on vuoden 2014 jälkeen ollut mahdollista suorittaa opinnäytetyö kol- messa 5 opintopisteen osassa. Tämä opinnäytetyö koostuu kahdesta osasta, ensimmäinen osa on 5 opintopisteen osuus ja toinen osa on 10 opintopisteen kokonaisuus. Yhdessä osat koostavat 15 opintopisteen opinnäytetyön. Ensimmäinen opinnäyteyön osa valmistui keväällä 2016 ja toinen syksyllä 2017. Ensimmäisen ja toisen osan aiheet eivät liity toisiinsa, sillä ensimmäinen osa tehtiin omien mielenkiintojen pohjalta ja toinen tuli toimeksiantona Oulun ammattikorkeakoululta. Opin- näytetyön osat esitellään tarkemmin koosteessa ja varsinaiset työt ovat liitteinä tämän esittelykoos- teen jälkeen.
Opinnäytetyön ensimmäisessä osassa lähdettiin tutkimaan 3D-tulostamisen mahdollisuuksia koti- oloissa. Tarkoituksena oli perehtyä tarkemmin 3D-tulostamisen tekniikoihin ja materiaaleihin, jotka soveltuvat tulostamiseen. Syvennyttiin myös ohjelmistoihin, joita on mahdollista hyödyntää oman kotitulostimen käytössä.
Työn toinen osan aihe tuli Oulun ammattikorkeakoulun Smart-Fish-hankkeelta. Tavoitteena oli to- teuttaa testaussuunnitelma sekä suorittaa sen pohjalta testit painettavalle sensorille. Työn aikana tuli myös tehtäväksi tuottaa anturille kalibrointisuunnitelma, jonka tarkoitus oli helpottaa projektin jatkossa työtaakkaa anturia asennettaessa ja kalibroitaessa.
6
2 OPINNÄYTETYÖN ENSIMMÄISEN OSAN ESITTELY
Kevään 2016 aikana valmistunut opinnäytetyön ensimmäinen osa (liite 1) tehtiin toisen lukuvuoden opintojen ohessa ja pääasiallisesti ammattikorkeakoulun tiloissa. Ohjaajana ensimmäisen osan ai- kana toimi Kari Jyrkkä. Aiheeksi valikoitui itseäni kiinnostanut 3D-tulostaminen ja sen mahdollista- minen kotioloissa. Työn aikana tutustuttiin erilaisiin 3D-tulostamisessa käytettäviin tekniikoihin, ma- teriaaleihin ja niiden ominaisuuksiin. Myös perehdyttiin eri ohjelmistoihin, joita kotikäyttäjä voi hyö- dyntää oman tulostimensa kanssa työskennellessään.
Opinnäytetyön ensimmäisestä osasta oli hyötyä siinä mielessä, että sen aikana sai tärkeää oppia ja ohjausta opinnäytetyön kirjoittamiseen ja tiedonhakuun. Ohjaajan läsnäolo koko ensimmäisen osan työstämisen aikana madalsi kynnystä kysyä vinkkiä pienimmästäkin asiasta. Työn aikana kertyneen tiedon ansiosta sain hankittua itselleni sopivan 3D-tulostimen ja pääsin nopeammin pe- rille laitteen toiminnallisuudesta.
7
3 OPINNÄYTETYÖN TOISEN OSAN ESITTELY
Opinnäytetyön toinen osa (liite 2) toteutettiin kokonaisuudessaan syksyn 2017 aikana ja viimeistel- tiin keväällä 2018 Oulun ammattikorkeakoulun toimeksiantona. Työ on 10 opintopisteen koko- naisuus ja ohjaajana toimi Kari Jyrkkä.
Oulun ammattikorkeakoulu auttaa kehittämään elintarvikealaa Pohjois-Pohjanmaalla monenlaisilla hankkeilla, joista yksi esimerkki on Smart-Fish. Hankkeessa sovelletaan painettavaa elektroniikkaa ruoan toimitusketjun seuraamisessa. Opinnäytetyön toisessa osassa perehdytään tarkemmin hankkeessa käytettävän painettavan anturin testaussuunnitelmaan sekä kalibrointisuunnitelman tekoon.
Työn toisessa osassa oli keskeisessä roolissa itsenäinen työskentely ja koulutuksen aikana opitut projektityöskentelytaidot. Työn aihe oli mielekäs ja liittyi omaan koulutusohjelmaan. Sen aikana omaa osaamista sai käyttää monipuolisesti ja oppia karttui matkanvarrella paljon lisää. Myös kiin- nostus painettavaa elektroniikkaa kohtaan kasvoi ja tulevaisuuden odotukset siinä samalla.
8
4 YHTEENVETO
Opinnäytetyö suoritettiin kahdessa paketissa, joista syntyi yhdessä 15 opintopisteen kokonaisuus.
Työmäärän jakaantuessa pienempiin osioihin tuntui opinnäytetyön kirjoittaminen helpommalta ja vähemmän raskaalta taakalta. Ensimmäisen ja toisen osan aiheet eivät suoranaisesti liity toisiinsa, mutta kummassakin työssä on uutuusarvoa ja tulevaisuuden kannalta hyödyllistä tietoa.
Työn ensimmäisessä osassa tutustuttiin pikamallinnuksen mahdollisuuksiin kotioloissa. 3D-tulos- tamisella on alati kasvavat markkinat, jossa sen teknologiat ja tarjonta yltävät yhä paremmin kulut- tajien keskuuteen. Pikamallinnuksen saatavuus kotioloissa on lisännyt ihmisten kykyä tuottaa osia ja esineitä, jotka muuten olisi erittäin hankala valmistaa. 3D-tulostimien saatavuus on mahdollista- nut eri alojen harrastajille mahdollisuuden luoda asioita, joista ennen pystyttiin vain haaveilemaan.
Toisessa osassa käsitelty painetun elektroniikan tekniikkoja käyttäen valmistettu lämpötila-anturi on tulevaisuuden kannalta ajateltuna kätevä vaihtoehto perinteiselle termistorille. Testaussuunni- telman avulla päästiin syventymään tarkemmin testausprosessin yksityiskohtiin. Opin miten eri ominaisuuksia vaativia anturin osia pystytään tuottamaan eri musteilla ja miten niitä tuotetaan.
Kaiken kaikkiaan kummastakin työstä jäi käteen paljon uutta oppia, joista saattaa olla hyötyä tule- vaisuuden työtehtävissä.
Joonas Träskelin
3D-TULOSTIN KOTIKÄYTTÖÖN
3D-TULOSTIN KOTIKÄYTTÖÖN
Joonas Träskelin
Opinnäytetyö ensimmäinen osa Kevät 2016
Tieto- ja viestintätekniikan koulutusohjelma Oulun ammattikorkeakoulu
SISÄLLYS
SANASTO ... 4
1 JOHDANTO ... 5
2 3D-TULOSTUKSEN TEKNOLOGIAT ... 6
2.1 Historiaa ... 6
2.2 Tekniikat ... 6
2.2.1 Stereolithography Apparatus (SLA) ... 7
2.2.2 Digital Light Processing (DLP) ... 7
2.2.3 Fused Deposition Modeling (FDM) ... 8
2.2.4 Selective Laser Sintering (SLS) ... 10
2.2.5 Selective Laser Melting (SLM) ... 11
2.2.6 Electronic Beam Melting (EBM) ... 11
2.2.7 Laminated Object Manufacturing (LOM) ... 11
2.3 Yhteenveto tekniikoista ... 12
3 OHJELMISTOT ... 13
3.1 Suunnitteluohjelmat ... 13
3.1.1 SketchUp ... 13
3.1.2 Blender ... 13
3.1.3 Solidworks ... 14
3.1.4 Tinker CAD ... 14
3.2 Tulostusohjelmistot ... 14
3.2.1 Cura... 14
3.2.2 Repetier Host ... 14
3.2.3 Simplify3D ... 14
3.3 Yhteenveto ohjelmistoista ... 15
4 OMAN TULOSTIMEN VALINTA ... 16
5 YHTEENVETO ... 19
LÄHTEET ... 20
4
SANASTO
CAD = tietokoneavusteinen suunnittelu eli tietokoneella luotu piirustus.
G-koodi = Tietokoneohjatuissa tuotantolaitteissa käytetty kieli, joka kertoo koneelle, minne, kuinka nopeasti ja mitä reittiä pitkin pitää kulkea.
Sintraus = Kylmähitsautumista, jossa metallijauhepartikkelit hitsautuvat toisiinsa diffuusion vaiku- tuksesta.
Termoplastinen = Lämpömuovautuva aine, joka pehmenee lämmetessään ja kovettuu jäähtyes- sään.
5
1 JOHDANTO
Tämä työ on ensimmäinen osa kolmiosaisesta opinnäytetyöstä. Tavoitteena opetuksellisesti oli hankkia tietoa ja käyttää laadukkaita lähteitä ammattitekstin pohjana.
Tämä opinnäytetyö käsittelee erilaisia 3D-tulostuksen tekniikoita. Dokumentissa selvitetään mitä materiaaleja tulostuksessa voidaan käyttää sekä mitä ohjelmistoja 3D-tulostukssa voidaan hyödyn- tää. Saatujen tietojen pohjalta vertaillaan kotikäyttöön sopivinta vaihtoehtoa ja valitaan kokoonpano tämänhetkisiltä markkinoilta. Kotikäyttöön sopivan 3D-tulostimen valintakriteerejä arvioidaan ja käydään läpi tulostimien hyviä ja huonoja puolia. Selvitetään miten 3D-tulostinta voi hyödyntää ko- tona ja voisiko 3D-tulostin tulevaisuudessa olla samassa asemassa kuin tavalliset mustetulostimet nykypäivänä.
Perehdytään myös 3D-tulostuksen uusiin innovaatioihin ja tämänhetkisiin uusiin tulostimiin, jotka ovat tuoneet jotain uutta 3D-tulostimien maailmaan. Perehdytään eri tulostusmateriaaleihin sekä niiden positiivisiin ja negatiivisiin puoliin.
Opinnäytetyön aihe valittiin omiin mielenkiinnon kohteisiin liittyen sekä siksi, koska se sivuaa kou- lutusalaani. 3D-tulostimet ovat myös lisääntymässä määrin siirtymässä jokapäiväiseen elä- määmme ja niiden hinnat ovat pikkuhiljaa laskeneet sopivammaksi kuluttajille, jotka pystyivät muu- tama vuosi sitten vain haaveilemaan 3D-tulostamisesta kotioloissa. Työssä myös tutkitaan kuinka halvalla voi itse rakentaa oman 3D-tulostimen. Raportissa käsitellään myös oman tulostimen va- lintaa.
6
2 3D-TULOSTUKSEN TEKNOLOGIAT
2.1 Historiaa
3D-tulostus juontaa juurensa 1980-luvun alusta, jolloin yhdysvaltalainen 3D-tulostuksen pioneeri Charles Hull työskenteli yhtiölle, joka käytti ultraviolettilamppuja pöytätasojen päällystysmuovin ko- vettamiseen. Hull sai idean, että on mahdollista käyttää UV-valoa ja tietokoneella mallinnettuja 3D CAD piirroksia esineiden valmistuksessa. Hän sai luvan yhtiöltä työskennellä laboratoriossa iltaisin ja viikonloppuisin kehittääkseen keksintöään (1.)
Hull onnistui tulostamaan noin 5 cm korkean kupin kuukausia kestäneen tulostuksen jälkeen. Hän saavutti sen käyttämällä nestemäistä akryylipohjaista materiaalia, joka kovettuu, kun se altistuu UV-valolle. Hull jatkokehitti keksintöään siihen pisteeseen, että hän sai perustettua oman yhtiönsä 3D Systemsin vuonna 1988. Hänen ansiostaan myös CAD-tiedostoista muunnettava ja 3D-tulos- tuksen mahdollistava vakiintunut tiedostomuoto STL (standard tesselation language) kehitettiin (1.) Nykyisin harrastelijoiden keskuudessa suosituin 3D-tulostuksen metodi, jossa muovi sulatetaan ja pursotetaan muotoon suuttimen kautta, syntyi Israelissa Stratasys-nimisen 3D-tulostukseen kes- kittyneen yrityksen toimesta. Vuonna 2005 englantilaisen Bathin yliopiston professori Adrian Bo- wyer kehitti projektin nimeltään RepRap. Se oli 3D-tulostin, joka pystyi tulostamaan lähes kaikki omat osansa ja muutamalla sadalla dollarilla oli mahdollista helposti kasata toimiva tulostin. Näin 3D-tulostus alkoi olla tarpeeksi edullista ja käytännöllistä harrastelijoille ympäri maailman (2).
2.2 Tekniikat
On olemassa useita eri tekniikoita 3D-objektin tulostamiseen ja näillä on omat hyvät ja huonot puo- lensa. Tässä kappaleessa käsitellään eri 3D-tulostusmenetelmiä ja perehdytään niiden tekniikkaan sekä materiaaleihin.
7
2.2.1 Stereolithography Apparatus (SLA)
Stereolithography eli suomeksi stereolitografia on 3D-tulostuksen maailmassa vanhin tapa tulostaa kappaleita. Charles Hullin patentoima SLA-tekniikka muodostaa 3D-objekteja nestemäisestä foto- polymeerihartsista kerros kerrokselta. Neste jähmettyy reagoidessaan laserista tulevan uv-valon kanssa. Kun laser piirtää kuvion nesteen pinnalle, laskeutuu tulostustaso alemmas tyypillisesti 0,05 - 0,15 mm, jotta voidaan piirtää seuraava kerros kappaleeseen. Tätä jatkuu kunnes haluttu objekti on valmis. Alla oleva kuva selventää SLA-periaatetta (kuva 1.).
SLA laitteet ovat yleisesti käytössä yritysten keskuudessa, mutta kotikäytössä ne ovat harvinai- sempia (3).
KUVA 1. SLA-tekniikan toimintaperiaate.
2.2.2 Digital Light Processing (DLP)
Digital Light Processing eli digitaalinen valon prosessointi on hyvin samantapainen tekniikka 3D- tulostukseen kuin SLA, mutta eroavaisuutena on valon lähde. Vuonna 1987 kehitetty DLP-tekniikka perustuu kuvan heijastamiseen projektorilla polymeerihartsin pinnalle kerros kerrokselta, jolloin saadaan tulostettua hyvin yksityiskohtaisia tulosteita.
8
DLP-tekniikassa käytetään apuna projektoria, jonka avulla saadaan tulostusaika aika pieneksi. Yh- dessä kerroksessa kuluu muutama sekunti, joten tekniikka on huomattavasti nopeampi verrattuna esimerkiksi FDM-tekniikkaan (3).
2.2.3 Fused Deposition Modeling (FDM)
Fused Deposition Modeling eli FDM on yleisesti tunnetuin menetelmä tulostaa esineitä.1980-luvulla Stratasys-yhtiön keksimä FDM-tulostus käyttää pääasiassa termoplastista muovilankaa, joka läm- mölle altistuessaan on helposti muotoiltavissa. Tällaisia muoveja ovat esimerkiksi ABS, PLA, PC, PA ja monet muut muovit. FDM-tekniikan hyvänä puolena on, että sen avulla voidaan helposti tu- lostaa konseptimalleja tai prototyyppejä sekä myös lopullisia valmiita tuotteita.
Harrastelijoiden keskuudessa suosittu FDM-tekniikan laitteisto on edullisin ja saatavimmilla oleva vaihtoehto 3D-tulostamiseen. Se on 3D-tekniikoista ainoa joka tuottaa kappaleita termoplastisesti, joten printatut esineet ovat mekaanisilta, termisiltä sekä kemikaalisilta ominaisuuksiltaan erinomai- sia (3).
KUVA 2. FDM-tekniikan toimintaperiaate
9
3D-tulostuslaitteisto, joka perustuu FDM-tekniikkaan, tuottaa esineitä sulattamalla muovia ja pur- sottamalla sen kerros kerrokselta vähän samaan tapaan kuin stereolitografiassa. Ennen tulostusta ohjelma viipaloi CAD-piirroksen kerroksiin ja laskelmoi pursottimen reitin joka kerrokselle. Tulos- tusprosessin alkaessa tulostuspää kuumentaa syötettävää muovilankaa, joka suuttimen kautta pu- ristetaan pohjalevylle. 3D-tulostimen sisäinen ohjausyksikkö muuntaa kappaleen mitat X-, Y- sekä Z-koordinaateiksi joiden mukaan tulostuspää liikkuu (ks. kuva 2.) Kalliimmat tulostimet, joissa on kaksi tulostuspäätä, pystyvät tulostamaan myös jälkeenpäin poistettavaa tukimateriaalia muuten vaikeasti tulostettaville kappaleille (kuvan 2 kohdassa 4).
Stereolitografiaan verrattu FDM-tulostus on hitaampaa ja tulostettu kappale vaatii usein viimeiste- lyä tulostuksen päätteeksi. FDM-tekniikkaa käytettäessä tulostettua kappaletta voidaan jyrsiä, maalata tai päällystää.
Nykyään FDM-teknologia on laajalle levinnyttä ja muun muassa monet autotuotanto- sekä elintar- vikealan yhtiöt käyttävät 3D-tulostusta uusien tuotteiden kehityksessä, konseptimalleissa ja proto- tyypeissä sekä myös jopa tuotantolaitteissa. FDM-tekniikka mielletään helppokäyttöiseksi sekä ym- päristöystävälliseksi tavaksi 3D-tulostamiseen. Tämä 3D-tulostusmenetelmä on tuonut mahdolli- suuden tehdä helposti esineitä, joissa on monimutkaisia geometrisiä ominaisuuksia sekä onkaloita (ks. kuva 4.)
KUVA 3. Esimerkki FDM-tekniikalla tulostetusta kappaleesta.
10
FDM-tulostukseen voidaan käyttää monia eri muovityyppejä ja materiaaleja. Suosituimpia materi- aaleja tulostukseen ovat PLA- sekä ABS-muovit. PLA eli polylaktidi on esimerkiksi maissitärkkelyk- sestä tai sokeriruo’osta valmistettua biohajoavaa muovia. ABS eli akryylinitriilibutadieenistyreeni, josta myös esimerkiksi Lego-palikat valmistetaan, on öljypohjainen muovi. Näillä kahdella on omat hyvät puolensa, mm. ABS on kestävämpää ja joustavampaa, mutta tulostettaessa tuottaa hajuhait- toja. PLA:n lopputulos on tarkempaa siistimpää eikä luo hajuhaittoja tulostettaessa (3.) Muita FDM- tulostukseen sopivia materiaaleja löytyy paljon sekä vaihtelevilla ominaisuuksilla, joten sitä voidaan hyödyntää laajasti eri sovelluksissa.
Kotikäyttöön sopivia FDM-laitteita löytyy markkinoilta kattavasti ja hinta vaihtelee 250 euron ja 4000 euron välillä, myös kalliimpia ammattikäyttöön suunniteltuja laitteita löytyy yli 10 000 euron hintaan.
Saatavilla on niin valmiita paketteja, kuin itse rakennettavia rakennussarjoja (3).
2.2.4 Selective Laser Sintering (SLS)
1980-luvulla kehitetty SLS-tekniikka käyttää tehokasta laseria sekä jauhettua materiaalia esineiden tuottamiseen. SLA- ja SLS-tekniikoiden toimintaperiaate on hyvin samanlainen, SLS käyttää vain nesteen sijasta jauhemaista materiaalia vadissa, jonne kappale tulostetaan. Tehokas laser sintraa jauhetta kerros kerrallaan. Joka kerroksen välissä mäntä vetää tulostustasoa alemmas ja rulla an- nostelee ja levittää pienen määrän uutta jauhetta, jolloin laser voi piirtää uuden kerroksen, tätä jatketaan siihen asti, kunnes kappale on valmis. SLS-tekniikan etu on, että se ei vaadi tukiraken- teiden tulostamista kappaleeseen, koska jauhepeti toimii tukena tulosteille (kuva 4.)
KUVA 4. SLS-tekniikan toimintaperiaate.
11
SLS-tekniikassa voidaan hyödyntää materiaaleina mm. polyamidia eli nylonia, keramiikkaa ja lasia.
Myös joitakin metalleja on mahdollista tulostaa, kuten terästä, alumiinia sekä hopeaa (4). Täten SLS on hyvin monipuolinen tulostusmenetelmä, joka on etenkin teollisuudessa paljon käytetty keino. Harrastelijoille SLS-tekniikka on usein kumminkin liian kallis siinä käytetyn tehokkaan laserin takia (3.)
2.2.5 Selective Laser Melting (SLM)
SLM-tekniikkaa kuuluu samaan kategoriaan ja on hyvin samanlainen tekniikka kuin SLS-tekniikka, eroavaisuutena näillä kahdella on se että, SLM sulattaa metallijauheen täysin yhdeksi kiinteäksi kappaleeksi sintraamisen sijasta. SLM-tekniikka on saksalaista perua vuodelta 1995, jolloin Fraun- hofer instituutin tutkimusryhmän toimesta syntyi ensimmäinen SLM-patentti.
Materiaalivaihtoehtoja SLM-tekniikalle löytyy useita; ruostumaton teräs, titaani, koboltti, kromi ja alumiini. SLM-tekniikka on hyödyllinen sovelluksissa, joissa on vaikeuksia tuottaa kappaleita perin- teisillä työkaluilla ja työstämismenetelmillä. Esimerkiksi ilmailualan projekteissa voidaan SLM-tek- niikan avulla tulostaa uudenlaisia painoa vähentäviä komponentteja lentokoneisiin, jotka olisi van- hanaikaisilla menetelmillä liian hankalia tuottaa. Myös lääketieteessä SLM-tekniikkaa hyödynne- tään muun muassa ortopedisiin ja hammaslääketieteen sovelluksiin (3.)
2.2.6 Electronic Beam Melting (EBM)
Arcam AB-yhtymän kehittämä EMB-tekniikka syntyi 2000-luvun alussa. SLS- ja SLM-tekniikoiden kanssa hyvin samantyylinen EBM-tekniikka käyttää metallijauhepetiä tulostuspohjanaan, eroavai- suus muihin tulostustapoihin kuitenkin piilee tekniikassa, mikä sulattaa jauheen. EBM sulattaa me- tallijauheen elektronisuihkulla tyhjiössä. Prosessi tapahtuu jopa 1000 °C:n lämpötilassa. SLM-tek- niikkaan verrattuna EBM on kallista, hidasta ja se on materiaalivalikoimaltaan suppea, joten se ei ole kovin suosittu tulostusmenetelmä, pääasiassa sitä hyödynnetään ilmailualan- ja lääketieteen- teollisuudessa (3).
2.2.7 Laminated Object Manufacturing (LOM)
LOM-tekniikka on yksi nopeimmista ja edullisimmista tulostusmenetelmistä. Sen kehitti kalifornia- lainen Helisys-yhtiö. LOM-tulostuksessa sidosaineella päällystettyä paperi-, muovi- tai metallilevyä sulautetaan yhdeksi kappaleeksi kerros kerrallaan kuumuuden ja paineen avulla. Kerrosten välissä
12
kappaleen muoto leikataan tietokoneohjatulla laserilla tai veitsellä (3).
KUVA 5. LOM-tekniikan toimintaperiaate.
2.3 Yhteenveto tekniikoista
Edellä mainitut tekniikat ovat monipuolisia ja eri tekniikat toimivat paremmin eri tilanteissa, kuin toiset. Kotitulostimissa yleisimmin käytetään FDM-tekniikkaa, joten tästä syystä päädyin itsekin hankkimaan siihen perustuvan tulostimen. FDM-tekniikkaa käyttävät tulostimet ovat myös edullisia ja helppokäyttöisiä, joten kynnys niiden kokeilulle on pieni myös aloittelijalle.
13
3 OHJELMISTOT
3D-tulostuksessa käytettäviä ohjelmistoja on suuri valikoima ja on tärkeää valita omalle tulostimelle sopivat ohjelmat hyvän tulostuslaadun takaamiseksi. Aloittelijoille suositellaan yksinkertaisia ohjel- mia, joissa asetukset ovat pitkälti ennalta määriteltyjä tulostuksen helpottamiseksi. Harjaantuneem- malle käyttäjälle sekä ihan ammattikäyttöön suunnitellut ohjelmistot sisältävät paljon ominaisuuk- sia, joiden oppiminen vie aikaa ja joilla voi vaikuttaa tulostusjälkeen.
Tässä osiossa käsitellään ohjelmistoja, joilla voi suunnitella oman 3D-mallinnuksen. Käsitellään myös ohjelmistoja, joilla valmistellaan eli viipaloidaan valmis 3D-malli ja tuotetaan g-koodi, jota tu- lostin ymmärtää. Myös tulostimen hallitsemiseen tarkoitettuja eli 3D printer host-ohjelmia tarkastel- laan.
3.1 Suunnitteluohjelmat
Omien 3D-mallinnuksien suunnitteluun käytettäviä ohjelmia löytyy laajalti ilmaisista ohjelmistoista maksullisiin lisenssiohjelmiin, joista kannattaa valita omaan käyttöön sopiva suunnitteluohjelma.
Tässä kappaleessa tutustutaan muutamaan suosituimpaan 3D-mallinnusohjelmaan.
3.1.1 SketchUp
Arkkitehdeille alun perin suunniteltu Google SketchUp soveltuu hyvin myös muiden kolmiulotteisten mallien suunnitteluun. Se on yksinkertainen ja helposti opittava ohjelmisto, joka sopii hyvin aloitte- lijoille. Siinä on kattavat ominaisuudet ja se sisältää workshopin, josta voi ladata ylimääräisiä lisä- osia ilmaiseksi.
Helppokäyttöinen SketchUp on ilmainen ja hyvin suosittu harrastelijoiden keskuudessa. Lisähin- nasta saa pro-version joka sisältää ylimääräisiä ominaisuuksia (5).
3.1.2 Blender
Blender on ilmainen 3D-mallinnusohjelmisto kattavin ominaisuuksin. Sen avulla voi tuottaa mm.
malleja, animaatioita, simulaatioita, jopa pelejä. Monipuolisten ominaisuuksiensa takia Blender ei ole aloittelijaystävällisin vaihtoehto. Suuren yhteisönsä puolesta oppiminen kuitenkin voi olla help- poa, koska tietoa ja apua Blenderin käyttöön löytyy paljon (5).
14
3.1.3 Solidworks
Ammattikäyttöön suunniteltu Solidworks on tarkoitettu insinööreille ja suunnittelijoille. Se on har- rastelijoille usein liian kallis mallinnusohjelma, mutta sen kattavat ominaisuuden takaavat mahdol- lisuuden monipuolisiin sovelluksiin. Takaisinmallinnus, simulaatio ja 3D-mallinnukset onnistuvat te- hokkaan CAD-ohjelmiston ansiosta helposti (5).
3.1.4 Tinker CAD
Aloittelijaystävällinen Tinkercad on ilmainen ja se sisältää kaikki tärkeimmät työkalut omien 3D- mallinnuksien valmistuksessa, joten sillä on hyvä aloittaa oma 3D-mallinnusharrastus. Kun Tinker- CAD on hallinnassa, on järkevää siirtyä monipuolisempiin ohjelmistoihin kuten Solidworksiin (5).
3.2 Tulostusohjelmistot
3D-tulostukseen tarvitaan ohjelmistoja, joilla 3D-mallit viipaloidaan ja tuotetaan g-koodi joka ohjaa tulostinta, sekä tulostuksen valmisteluohjelmia, joilla voidaan skaalata ja asetella 3D-malli tulostus- alustalle kuten halutaan.
3.2.1 Cura
Ilmainen Cura-ohjelmisto sisältää viipalointiin ja tulostimen hallitsemiseen tarvittavat välineet. Se on suosittu harrastelijoiden keskuudessa helppokäyttöisyytensä ja nopeutensa vuoksi. Cura sopii aloittelijoille yksinkertaisuutensa vuoksi (5).
3.2.2 Repetier Host
Repetier host on myös kombinaatio viipalointi- ja tulostimenhallintaohjelmistoista. Se on ilmainen ja sisältää hyvät ominaisuudet, joten se on hyvä vaihtoehto aloittelijalle (5).
3.2.3 Simplify3D
Maksullinen Simplify3D on yksi suosituimmista premium-ohjelmistoista. Sen avulla 3D-malleja voi korjata, valmistella, esikatsella, ja viipaloida. Kattavien ominaisuuksiensa ja nopeutensa ansiosta Simplify3D on houkutteleva vaihtoehto harjaantuneemmille harrastajille (5).
15
3.3 Yhteenveto ohjelmistoista
Vaihtoehtoja tulostimelle käytettävistä ohjelmistoista on kymmeniä, mutta on tärkeää miettiä mikä niistä sopii itselle parhaiten. Aloittelijoiden on syytä aloittaa helppokäyttöisillä ohjelmilla, kun taas harjaantuneempi tulostaja voi käyttää monipuolisempia ohjelmia parhaan tuloksen takaamiseksi.
Itse valitsin oman tulostimeni kanssa käytettäväksi Repetier hostia joka sisältää viipalointityökalun sekä itse tulostimen hallintaohjelman. Se sisältää kaikki tarvittavat ominaisuudet ja on tarpeeksi yksinkertainen aloittelijalle.
16
4 OMAN TULOSTIMEN VALINTA
Tässä kappaleessa käsitellään oman 3D-tulostimen valintaa ja sitä, miksi päädyttiin tähän tiettyyn tulostimeen.
Minulla oli tietyt puitteet, mihin tulostimen piti pudota. Ensinnäkin sen piti olla halpa, koska opiske- lijalla ei ole paljoa ylimääräistä rahaa. Toisekseen tulostimen piti olla suhteellisen luotettava ja ylei- nen, jotta siitä löytyisi mahdollisimman paljon tietoa internetistä ongelmatilanteiden varalta.
Näiden rajoitteiden perusteella päädyin tilaamaan oman tulostimeni kiinalaisesta nettikaupasta ni- meltään AliExpress (9). Nettisivulta löytyy satoja eri tulostinvaihtoehtoja, mutta itse päädyin valit- semaan yhden suosituimmista malleista, koska siitä oli paljon hyvää palautetta ja sen mukana sai 2 kiloa tulostuslankaa (kuva 6).
KUVA 6. Valitsemani tulostin.
Tulostin on mallia RepRap Prusa i3, josta löytyy useita eri konfiguraatioita, mutta rungon rakenne on kaikissa sama. Prusa i3 on yksi yleisimmistä, ellei jopa yleisin itserakennettavan 3D-tulostimen muoto. Tästä syystä päädyin itsekin valitsemaan tämän mallisen tulostimen.
17
Yhteensä kuluja tulostimen hankinnalle tuli noin 290 euroa ja hinta sisälsi tullimaksut ja postikulut.
Paketti saapui parissa viikossa kotiovelle kuljetettuna ja sarjan rakennukseen kului noin 7 tuntia (Kuva 7).
Kuva 7. Paketti saapui hyvin pakattuna
Tulostimen osat olivat hyvin paketoituja ja kaikki palaset olivat ehjiä, kun aloitin kasaamisen (Kuva 8).
Kuva 8. Tulostin rakennettiin pala kerrallaan.
Paketin mukana tuli dvd, jolla oli hyvät ohjeistusvideot osien kasaamiseen, joten kasaus oli hyvin vaivatonta. Pian tulostin olikin jo kasassa ja valmis tulostamaan. Seuraavaksi vuorossa oli perehtyä ohjelmistoon mikä tuli myös dvd-levyllä. Tämä oli myös helppoa, sillä tähänkin oli video, jolla oh- jeistettiin oikeiden asetusten laittaminen.
18
Kuva 9. Valmis tulostin.
Kuva 10. Ensimmäinen tulostus.
Ensimmäiset tulostukset alkoivat sujua pieniä säätöjä vähitellen tekemällä (Kuva 10).
Loppujen lopuksi olen tyytyväinen valitsemaani tulostimeen, hyvän lopputuloksen saavuttaminen on ollut työlästä. Itse tulostin ei ole vaatinut suurempia säätöjä, mutta suurin osa hienosäädöstä tapahtuu ohjelmiston päässä. Tulostusnopeus, -lämpötila sekä monet muut pienet asiat vaikuttavat paljon lopputulokseen ja niiden ihanteellisen suhteen löytäminen on vienyt aikaa. Tulen tulevaisuu- dessa päivittämään tulostintani mahdollisimman hyväksi eri lisäosilla, kuten paremmalla jäähdytyk- sellä, koska aina on tilaa parannuksille.
19
5 YHTEENVETO
Opinnäytetyön ensimmäisen osan tarkoitus oli käsitellä 3D-tulostuksen tekniikoita, historiaa sekä oman tulostimen valintaa. 3D-tulostustekniikkoja on monia ja niitä käsitellessä löydettiin kotitulos- tajalle toimivin tulostusperiaate, joka on FDM-tekniikka, sen edullisuuden, helppokäyttöisyyden sekä saatavuuden takia. Käsiteltiin myös ohjelmistoja, joita tarvitaan 3D-tulostuksessa ja valittiin itselle sopivin ohjelmisto, joka oli Repetier Host, sen helppouden vuoksi. Viimeiseksi käsiteltiin oman tulostimen hankintaa ja valintaperusteita, jolloin päädyttiin kiinalaiseen Prusa i3-tulostimeen, sen edullisuuden ja hyvän maineen vuoksi. Tulostin saatiin hankittua ja sitä ehdittiin hyödyntämään jopa kansainvälisessä yhteistyöprojektissa suunnittelemalla ja tulostamalla unenseurantalaitteelle kotelo. (Kuva 11.)
KUVA 11. Unenseurantalaite.
Kaikki tärkeimmät asiat saatiin pääosin käsiteltyä dokumentissa, mutta vielä jäi varaa kertoa lisää asioista. Mielestäni kuitenkin opinnäytetyön ensimmäisen osan opetukselliset tavoitteet tuli saavu- tettua. Olen tyytyväinen asioihin, jotka saatiin purettua tässä dokumentissa ja tästä on hyvä jatkaa työtä toisessa osassa.
20
LÄHTEET
Andrew Duffy, Ottawa citizen 2015. A brief history of 3D printing. http://ottawaciti- zen.com/news/local-news/the-evolution-of-3d-printing Hakupäivä: 11.2.2016
Dana Goldberg 2014. History of 3D Printing: It’s Older Than You Are (That Is, If You’re Under 30). http://lineshapespace.com/history-of-3d-printing/ Hakupäivä: 11.2.2016
Types of 3D printers or 3D printing technologies overview http://3dprintingfromscratch.com/com- mon/types-of-3d-printers-or-3d-printing-technologies-overview/ Hakupäivä: 18.2.2016 Tietoa eri tulostustekniikoista ja termeistä. http://www.rpcase.fi/Sovellukset/Tietoa-eri-tekniikoista
Hakupäivä 17.3.2016
Software & Tools. http://3dprintingforbeginners.com/software-tools/ Hakupäivä 14.4.2016 Alienexpress. http://www.aliexpress.com/. Hakupäivä: 6.5.2016
Joonas Träskelin
TESTAUSSUUNNITTELU PAINETTAVALLE ANTURILLE
TESTAUSSUUNNITTELU PAINETTAVALLE ANTURILLE
Joonas Träskelin Opinnäytetyö toinen osa Kevät 2018
Tieto- ja viestintätekniikan koulutusohjelma Oulun ammattikorkeakoulu
SISÄLLYS
1 JOHDANTO ... 4 2 TESTAUKSEN KOHDE JA TAVOITTEET ... 6 2.1 Testauksen kohde ... 6 2.2 Tavoitteet... 8 3 TESTAUSYMPÄRISTÖ ... 12 4 TESTAUKSEN ORGANISOINTI JA RAPORTOINTI ... 9 4.1 Testaajaryhmän kokoonpano ... 9 4.2 Raportointi ... 9 5 TESTAUSSTRATEGIA ... 10 5.1 Testikappaleen tarkastus... 11 5.2 Mittaukset ... 11 5.3 Hyväksymiskriteerit ... 11 6 TESTITULOSTEN ANALYSOINTI ... 15 7 KALIBROINTISUUNNITELMA ... 19 8 ANTURIN KOKOONPANO PIIRILEVYLLE... 21 8.1 Sensorilevyn yhdistäminen kollektoriin ... 23 8.2 Vastusarvotaulukko ... 26 9 YHTEENVETO ... 27 LÄHTEET ... 28
4
1 JOHDANTO
Tässä opinnäytetyössä aiheena on tehdä testaussuunnitelma sekä kalibrointisuunnitelma Smart- Fish-hankkeessa käytettävälle painetulle lämpötila-anturille. Oulun ammattikorkeakoulu on osalli- sena kansainvälisessä hankkeessa, joka on lähtöisin Norjan kalateollisuuden tarpeeseen kehit- teille laitetusta järjestelmästä. Järjestelmän tavoitteena on kehittää älykäs etikettijärjestelmä (eng- lanniksi Smart-Label System), joka monitoroi sekä seuraa lämpötilaherkkien kauppatavaroiden kuljetusta tuottajalta kuluttajalle. Etiketti on kiinni tarkkailtavassa tuotteessa ja mittaa sen lämpöti- laa, samalla lähettäen tiedon telekommunikaatiojärjestelmälle, joka kokoaa datan ja lisää tietoon aikaleiman ja GPS-koordinaatit, jonka jälkeen järjestelmä lähettää tiedon eteenpäin palvelimelle pilvipalveluun. Palvelin tallentaa tiedot tietokantaan, josta niitä voidaan helposti tarkastella verk- koselaimen tai mobiilisovelluksen kautta. Näin varmistetaan kylmäketjun säilyminen, tuotteiden oikeaoppinen käsittely ja taatusti laadukas tuote. Työssä keskitytään pääasiassa painettuun läm- pötila-anturiin, joka kiinnitetään elintarvikelaatikoihin. (Kuva 1.)
KUVA 1. Havainnollistava kuva toimitusketjun seurannasta
Tämän työn tavoitteena oli testitapausten perusteella edistää ja auttaa kehittämään erityinen läm- pötila-anturi, joka soveltuu elintarvikkeiden lämpötilan seuraamiseen. Anturi haluttiin saada mit- taamaan kohteen lämpötila 0,5 °C:n tarkkuudella, jolloin saavutetaan selkeä kuva elintarvikkei- den kylmäketjun säilyvyydestä. Testien avulla tavoitteena oli löytää antureista paras vaihtoehto käytettäväksi lopullisessa tuotteessa. Testaussuunnitelman pohjalta suoritettiin sen mukaiset tes-
5
tit ja perehdyttiin saatuihin testituloksiin tarkemmin. Testaussuunnitelman lisäksi tehtiin kalibrointi- suunnitelma jatkoon valitulle painettavalle lämpötila-anturille. Kalibroinnin aikana valittiin oikean- laiset vastusarvot piirille, johon anturi tulee kiinni. Oikean kokoisten vastusten avulla oli tarkoitus saada anturi näyttämään todenmukaisia lämpötila-arvoja. Testaussuunnitelmassa pyrittiin katta- maan testausprosessi mahdollisimman monipuolisesti ja tarkasti.
Hankkeeseen on kerätty osalliseksi suuri asiantuntijayhteisö islantilaisia, norjalaisia sekä suoma- laisia työryhmiä. Hanketta johdetaan Islannissa ja projektin koordinaattorina toimii tohtori Ragn- heiður I Þórarinsdóttir. Islantilaiset ovat vastuussa projektin vetämisestä, vaatimusten ja mallin suunnittelusta sekä myös datan analysoinnista ja sen esittelystä. Suomalaistyöryhmä toimii Ou- lussa ja on vastuussa painettavan lämpötila-anturin tekemisestä, virrankulutuksen hallinnasta ja langattoman yhteyden rakentamisesta. Norjalaisen Nofima-instituutin rooli hankkeessa on yhdis- tää tietokannan data elektroniseen tuoteinformaatioon, joka on olemassa pakastettujen elintarvik- keiden toimitusketjussa. Lisäksi hankkeessa on mukana useita yhtiökumppaneita, jotka ovat pää- asiassa norjalaisia ja islantilaisia kalateollisuuden yrityksiä. (1.)
Työssä on uutuusarvona painettavan elektroniikan hyväksikäyttö laitteessa. Vasta viime aikoina painettava elektroniikka on alkanut olla realistinen vaihtoehto perinteisten teknologiavalmistusme- netelmien joukossa. Tulevaisuudessa painettava elektroniikka on yhä tärkeämmässä asemassa, kun tavoitellaan edelleen pienempiä ja tiiviimpiä kotelointiratkaisuja uusille laitteille. Painettavalla elektroniikalla on monia etuja verrattaessa perinteiseen tapaan tuottaa piirilevyjä: painamismene- telmällä tuotettu piirilevy on muun muassa ohuempi, se voidaan tuottaa taipuisasta materiaalista ja se on helpompi valmistaa kuin perinteinen lasikuituvahvisteinen kuparifoliopiirilevy.
6
2 TESTAUKSEN KOHDE JA TAVOITTEET
2.1 Testauksen kohde
Testauksen kohteena oli kymmenen arkillista silkkipainomenetelmällä tehtyjä termistoreita eli lämpötila-antureita. Antureiden koko, kuviointi sekä eristemateriaali vaihtelivat testattavien kol- men erilaisen anturityypin välillä. Substraatti eli materiaali, jolle anturi painettiin, pysyi samana kaikilla antureilla. Kaikki anturit oli myös painettu samaa mustetta käyttäen. Kymmenestä arkista, jotka painettiin, puolet eristettiin musteella ja puolet eristettiin laminoimalla yksi kerros läpinäky- vää muoviteippiä antureiden pinnalle. Taulukossa 1 esitellään painoprosessissa käytetyt materi- aalit. Sensorikerroksen muste haluttiin pitää vielä salassa, joten sen tuottajaa ei voida kertoa.
TAULUKKO 1. Antureiden valmistuksessa käytetyt materiaalit
Anturin osa Kuvaus muste PN/tuottaja Prosessi
Johtimet Hopeapainomuste LS-411AW Asahi Silkkipaino
Painomuste Grafiitti muste Salainen Silkkipaino
Eriste Eristemuste D2070423P5 SunChemical (2.) Silkkipaino
Substraatti Muovikalvo 135HWLD Hydroprint
7
Testauksessa oli kolme eri layoutilla tehtyä anturia. Antureiden layoutin lisäksi testattiin kahden- laista eristemateriaalia, mustetta ja teippilaminointia (kuva 2). Anturit valmistettiin Oulun ammatti- korkeakoulun tiloissa sijaitsevassa Prinlab-laboratoriossa. Valmistusmenetelmänä käytettiin silkki- painomenetelmää, jossa painoseulan läpi vedetään painolastalla muste painoalustalle, jolloin tu- loksena saadaan painoseulalle suunniteltu kuvio (3).
KUVA 2. Testauksen kohteena olleet anturit, vasemmalla eristemuste ja oikealla laminoidut
Anturien luominen oli monivaiheinen prosessi. Ensimmäiseksi pohjamateriaalille painettiin ho- peamusteella referenssielektrodit, joiden tarkoitus oli toimia johtimien kiinnityspisteenä. Toisella painokerralla referenssielektrodien päälle painettiin grafiittimusteella haluttu anturikuvio eli työ- elektrodikerros. Kuvassa 3 näkyy työelektrodien kuvio mustana ja referenssielektrodien kuvio har- maana.
Viimeisenä painettiin eristemusteella eristekerros viidelle arkille kymmenestä. Jokaisen painovai- heen välissä arkit kuivattiin niille tarkoitetussa kuivausuunissa. Ne arkit, joiden antureita ei eris- tetty musteella, laminoitiin myöhemmin yhdellä kerroksella teippiä. Antureiden välillä suurin ero oli johdinrakenteessa. Ensimmäinen anturityyppi koostui pidemmästä ja ohuemmasta johtimesta, toi- sessa käytettiin hieman lyhyempää ja paksumpaa rakennetta. Kolmas anturi koostui yhdestä pak- susta laatikkomaisesta johtimesta (kuva 3).
8
KUVA 3. Anturityypit
2.2 Tavoitteet
Tämän työn tavoitteena oli testitapausten perusteella auttaa kehittämään erityinen lämpötila-an- turi, joka soveltuu elintarvikkeiden lämpötilan seuraamiseen. Haluttiin valita kuvan 3 anturityy- peistä sopivin ja kehittää kalibrointijärjestelmä, jonka avulla voidaan säätää lämpötila-anturi toimi- maan 0,5 °C:n tarkkuudella. Testien avulla tavoitteena oli löytää antureista paras vaihtoehto käy- tettäväksi lopullisessa tuotteessa.
9
3 TESTAUKSEN ORGANISOINTI JA RAPORTOINTI
Testaussuunnitelman täytyy sisältää tiedot testaajaryhmän kokoonpanosta sekä tiedot, kuinka työn raportointi hoidetaan. Aluksi laadittiin lista hankkeen hyväksi toimivista henkilöistä ja esiteltiin, kuka on vastuussa projektin eri aihealueista. Selvitettiin myös, että kenelle ja miten työssä saadut tulok- set raportoidaan.
3.1 Testaajaryhmän kokoonpano
Testausryhmään kuuluvat seuraavat henkilöt:
Joonas Träskelin Opiskelija
Harri Määttä OAMK:n erikoistutkija Henry Hinkula Projektisuunnittelija Tomi Tuomaala Projektisuunnittelija
Joonas Träskelin kokoaa testaussuunnitelman, dokumentoi testauksen ja on osallisena tehtä- vissä testeissä. Hän suorittaa myös antureiden kalibroinnin ja siihen tarvittavat laskelmoinnit.
Harri Määttä sekä Tomi Tuomaala toimivat painettavien anturien tuottamisen ja testaamisen joh- dossa. Henry Hinkula on vastuussa antureiden tarvitsemasta elektroniikasta ja sen tuotannosta.
3.2 Raportointi
Testitulokset raportoidaan tähän työhön testaussuunnitelman jälkeen. Testien perusteella teh- dään arvio parhaasta anturivaihtoehdosta. Testien edetessä tuloksia tarkastellaan ja niistä kes- kustellaan työn tilaajien Harri Määtän ja Henry Hinkulan kanssa.
10
4 TESTAUSSTRATEGIA
4.1 Testien suorittaminen
Testattavat anturit asetellaan testikammion alustalle pystysuoraan materiaalipuoli ylös, niin että materiaali ei kosketa alla olevaa alustaa. Tarvittaessa testikappale voidaan kiinnittää ritilään par- haaksi nähdyllä tavalla, jolloin vältytään testikappaleen liikkumiselta testin aikana. Mittaamisessa käytettävät johtimet tulee myös kiinnittää hyvin testikappaleeseen sekä testikammioon. Testaus- järjestelmän tulee pysyä koskemattomana koko testin ajan, että vältytään häiriöiltä testaustulok- sessa. Jos mitataan painetun kerroksen paksuutta tai pinta-alaa, mittauspisteet tulee merkitä tes- tikappaleeseen.
Testin aikana lämpötila säädetään tiettyjen määriteltyjen välien mukaan (taulukko 2), jonka jäl- keen mitataan testikappaleen resistanssi. Jokaisen lämmönsäätökerran jälkeen tulee odottaa tar- peeksi pitkä aika, ennen kuin vastusarvo mitataan. Testi suoritetaan yhdelle kappaleelle ainakin kaksi kertaa peräkkäin, jolloin saadaan selville mahdollinen variaatio resistanssissa.
TAULUKKO 2. Lämpötila ja vastusarvo
Lämpötila °C 1. Testikerta [Ω] 2. Testikerta [Ω]
-1 0 1 2 4 8 10 20
Testien aikana testikappaleet tulee pitää irrotettuna ulkoisista virtalähteistä, että vältytään häi- riöiltä testidatassa. Jokaisen anturin testaus tulee suorittaa samoilla järjestelyillä ja testien vaihei-
11
den tulee pysyä kullakin testikerralla muuttumattomana. Esimerkiksi mittauslämpötilojen suoritta- minen väärässä järjestyksessä voi vaikuttaa testituloksiin haitallisesti ja vaikeuttaa myös tuloksien yhdenmukaista raportointia.
4.2 Testikappaleen tarkastus
Testikappaleet tulee tarkastaa silmämääräisesti ennen testaamista sekä testaamisen jälkeen, jol- loin varmistutaan, että testikappaleesta ei löydy poikkeavuuksia, kuten epämuodostuneisuutta, murtumia, halkeilua tms. Jos poikkeavuuksia havaitaan, tulee niistä kirjoittaa tiedot testiraporttiin.
Virheellinen testikappale voi antaa vääristyneen testituloksen ja haitata testausprosessia.
4.3 Mittaukset
Testikappaleen resistanssi mitataan yleismittaria tai jotain muuta soveliasta mittavälinettä käyt- täen. Mittaus suoritetaan lämpötiloissa −1 ºC, 0 ºC, +1 ºC, +2 ºC, +4 ºC, +6 ºC, +8 ºC, +10 ºC sekä huoneenlämmössä (~+21 ºC). Suhteellinen ilmankosteus tulee pitää vakiona ~30 %.
Määrätyistä olosuhdemääritelmistä ei saa poiketa, vaan tulee pysyä tarkasti lämpötila- sekä il- mankosteusrajoissa. Näin varmistetaan testien ehdottomuus ja taataan, että joka testitapaus on käynyt läpi juuri samat olosuhteet. Testitulosten perusteella saadaan siten valittua soveliain anturi jatkokehitystä varten.
4.4 Hyväksymiskriteerit
Testattavan anturin tulee näyttää vastusarvo suoraan verrannollisena lämpötila-arvon mukaan.
Mikäli vastusarvo heittelee arvaamattomasti testin aikana, testikappale hylätään. Testikappaleen rakenne tulee olla ehjä. Jos kappaleen painojäljessä huomataan silmämääräisesti vaurioita, testi- kappale hylätään.
12
5 TESTAUSYMPÄRISTÖ
Testit suoritettiin OAMK:n painettavan elektroniikan laboratorion tiloissa. Taulukosta 3 käy ilmi, mitä välineitä tarvittiin testien aikana. Testausympäristöstä löytyi kaikki tarvittavat mittalaitteet ja välineet anturin perusteelliseen testaamiseen.
TAULUKKO 3. Testauksessa käytetyt työvälineet
Välineet Malli
Olosuhdekaappi Heraeus Vötsch HT 4002 (4)
Digitaalinen yleismittari Fluke 179, Fluke 79
Lämpötilasensori 80BK integroitu DMM lämpötila-anturi
Resistanssin mittaustyökalu -
Optinen pinnan topografi skanneri Focalspec X400
Ennen olosuhdekaapissa testaamista kaikkien antureiden resistanssi mitattiin huoneenlämmössä käyttämällä erikoistutkijan Harri Määtän sekä projektisuunnittelija Tomi Tuomaalan kehittämää mittaustyökalua (kuva 4). Työkalun avulla saatiin mitattua jokainen anturi siten, että mittapään kosketuspinta-ala, kontaktiresistanssi sekä paine olivat mahdollisimman vakiot (5).
KUVA 4. Mittaustyökalu käytössä antureiden mittauksessa
13
Testauksessa käytetty olosuhdekaappi Heraeus Vötsch HT 4002 (kuva 5) on mikroprosessori- pohjainen lämpötilanohjain ja -monitorointijärjestelmä. Seuraavat tiedot voidaan asettaa terminaa- liin ja ne näytetään digitaalinäytöllä:
- Lämpötila celsiusasteina.
- Asetettu sekä nykyinen lämpötila-arvo.
- Manuaalinen sekä automaattinen operointi. Voidaan ohjelmoida maksimissaan 99 tes- tiohjelmaa, joissa on 99 riviä, yhteensä 2000 ohjelmointiriviä.
- Ohjelmallinen lämpötilan rajoitus testitilan minimi- sekä maksimilämpötilalle.
- Lämpötila-alue -40 °C – +130 °C. (4)
KUVA 5. Mittausjärjestelyt
Haluttu antureiden testilämpötila-alue oli −1 °C – +10 °C, joka oli hyvin olosuhdekaapin rajoissa.
Olosuhdekaappia ohjattiin testien aikana manuaalisesti. Kohdelämpötilan saavutettua otettiin kuva yleismittareista, jotka kukin olivat kiinni omassa anturissaan ja mittasivat sen resistanssia.
Kuvan avulla saatiin tallennettua antureiden senhetkinen vastusarvo kaikilta yhtä aikaa.
Antureiden resistanssin muutosta seurattiin testien aikana neljällä Fluke 179 -yleismittarilla sekä kahdella Fluke 79 -yleismittarilla, jotka olivat kiinni antureissa hauenleukapuristimilla (kuva 6). Jo- kaiselle lämpötila-anturille oli oma yleismittari, jonka avulla saatiin mitattua anturin vastusarvoa jatkuvasti. Anturit kohotettiin korokkeella noin puoleenväliin testikammiota, jotta lämpötilanjakau- tuminen olisi optimaalinen ja testitulokset luotettavia.
14
KUVA 6. Anturit olosuhdekammiossa
Lämpötilaa seurattiin testien aikana olosuhdekammion omalta lämpötilanäytöltä. Lisäksi lämpöti- lanseuraamiseen käytettiin yhtä Fluke 179 -yleismittaria, johon kiinnitettiin 80BK integroitu DMM- lämpötila-anturi. Anturi asetettiin mittaamaan ilman lämpötilaa keskeisesti antureihin nähden. Olo- suhdekammion ja yleismittarin lämpötilasensoreiden lukemien perusteella pystyttiin ottamaan vastusarvoista näyte juuri oikean lämpötilan kohdalla suhteuttamalla lämpötilojen mitta-arvot.
Luottamalla pelkästään yhteen lämpötilamittauksen lähteeseen olisi ollut hankalampi saada yhtä toistettavia tuloksia.
15
6 TESTITULOSTEN ANALYSOINTI
Testit suoritettiin testaussuunnitelman mukaan ja tulokset kirjattiin ylös. Tuloksien pohjalta luotiin Excel-dokumentti, jonne luotiin kuvaajat anturien käyttäytymisestä eri lämpötiloissa. Testitulok- sien avulla tehtiin myös laskelmointeja anturien keskinäisitä vastusarvojen poikkeavuuksista ja toiminnasta suhteutettuna lämpötilaan.
Ennen olosuhdekaapissa tehtyjä testejä testattiin joka anturin resistanssi huoneenlämmössä mit- taustyökalun avulla (kuva 4). Mittaustulokset listattiin Excel-taulukkoon ja tuloksia analysoitiin las- kemalla tuloksien keskiarvo, minimi- sekä maksimiarvot megaohmeina ja arvojen heittely prosent- teina (kuva 7). Minimiarvo oli yleisesti noin 80 % pienempi kuin taulukon maksimiarvo. Vastusar- vojen jakaantumisesta piirrettiin myös pistekuvaaja tukemaan numerotietoja. Vaikka anturien vä- lillä oli suuria eroja, niiden käyttäytyminen eri lämpötiloissa oli tasalaatuista. Jokainen vaakarivi vastaa arkilta löytyvää antuririviä. Esimerkiksi arkki P2022 sisälsi kaksi kuuden kappaleen vaaka- riviä samanlaisia antureita, jotka mitattiin ja kirjattiin ylös. Excelin liukuväriominaisuudella saatiin visualisoitua vastusarvojen keskinäinen variaatio. Vihreä vastaa rivin maksimiarvoa ja punainen minimiarvoa. Antureiden vastusarvojen jakaantuminen jokaiselle arkille ei ole yhdenmukaista, jo- ten on pääteltävissä, että painoprosessin aikana tapahtuu jotain, joka vaikuttaa anturien resistiivi- syyteen.
KUVA 7. Taulukko jatkokehitykseen valitulta anturilta. Arvot ovat MΩ.
16
Koska epäiltiin, että painoprosessissa tapahtui jotain, mikä vaikuttaa antureiden vastusarvojen keskinäiseen vaihteluun, päätettiin mitata toiminnallisen mustekerroksen paksuus optisella pinnan topografiskannerilla. Testikohteena oli yksi arkki, jolle ei ollut painettu referenssielektrodeja eikä työelektrodimustepinnan päälle lisätty eristettä. Tavoitteena oli mitata ainoastaan toiminnallisen mustekerroksen paksuus. Kerrospaksuuden mittaamiseen käytettiin optista pinnan topografiskan- neria Focalspec X400, jonka avulla pystytään mittaamaan ilman kontaktia mustekerroksen mitta- suhteita, kerrospaksuutta ja pinnan rosoisuutta 1 µm:n tarkkuudella. Mittatietojen perusteella voi- tiin luoda kolmiulotteinen pintaprofiilikuva mitattavasta pinnasta. (6.) Skannerin ohjelmiston avulla saatiin tehtyä myös kuvaajat pintaprofiileista. (Kuva 8.)
KUVA 8. Anturin pinnan topografiskannaus
Optisella pinnan topografiskannerilla tehdyt mittauksen tukivat päätelmää, että silkkipainoproses- sin aikana musteen jakaantuminen arkille vaihtelee ja vaikuttaa antureiden resistanssiin. Skan- nauksissa huomattiin, että keskimääräinen kerrospaksuus vaihteli hieman eri osissa arkkia. Ker- rospaksuus oli suuremmalla vastusarvolla olevilla antureille pienempi kuin pienemmällä vastusar- volle olevilla antureilla. Keskimääräisen kerrospaksuuden määrittäminen oli haastavaa, mutta saatiin kuitenkin selvitettyä tarpeeksi tarkasti vertailemalla ohjelmiston luomia kuvaajia.
Huoneenlämmössä tehtyjen mittauksien jälkeen siirryttiin tekemään testit olosuhdekaapissa. Tiu- kan aikataulun ja turhan ylimääräisen työn välttämiseksi päätettiin testata joka arkilta vain yksi pystyrivi antureita. Osasyy päätökseen testata vain yksi pystyrivi oli se, että jatkoon valikoitunutta
17
anturia testataan tulevaisuudessa lisää, joten ei nähty tarpeelliseksi testata jokaista 360 anturia.
Haluttiin vain löytää kolmesta vaihtoehdosta paras.
Pystyrivi leikattiin irti kohdasta, missä resistiivisyys oli keskiarvoisimmillaan vaakarivin antureilla.
Sen jälkeen antureihin kirjoitettiin arkin koodi sekä rivinumero, jotta ne eivät sekoittuisi keskenään (kuva 9). Sama toistettiin jokaiselle kymmenestä arkista ja oltiin valmiita testeihin, joissa testattiin jokaisen arkin keskiarvoisin pystyrivillinen sensoreita.
KUVA 9. Muste-eristeellä olevien antureiden valmistelu testejä varten
Anturit jäähdytettiin olosuhdekaapissa −1 ºC:seen ja anturin annettiin tasoittua noin 10 minuuttia, jonka jälkeen lähdettiin nostamaan lämpötilaa askel kerrallaan lämpötilaan 0 ºC, +1 ºC, +2 ºC, jonka jälkeen lämpötilaa nostettiin 2 celsiusastetta kerrallaan, kunnes saavutettiin +10 ºC. Joka askeleella, kun lämpötila oli tasaantunut tavoitteeseen, otettiin kuva kaikista yleismittareista ja näin saatiin kaikkien antureiden hetkellinen vastusarvo talteen. Testin jälkeen kuvista kirjattiin tie- dot ylös Excel-taulukkoon ja tietojen perusteella luotiin kuvaajia antureiden käyttäytymisestä. Tes- tit suoritettiin kahteen otteeseen, jotta mahdolliset virhearvot huomattaisiin.
Kun kummankin testikerran tulokset saatiin kirjattua ylös, oli vuorossa tietojen analysointi ja ha- vainnollistavien kuvaajien luonti. Kuvaajien avulla oli tarkoitus selkeyttää anturien toiminnan line- aarisuutta sekä anturien resistiivisyyden keskinäistä hajontaa. Vaikka kaikkia antureita ei testattu, oli kerätyn testidatan määrä mittava.
18
Kuvaajien ja laskelmien mukaan valittiin paras vaihtoehto kolmesta anturityypistä jatkoon. Jatko- kehitykseen valitsemiseen vaikutti anturin tasalaatuisuus, vastusarvojen kokoluokka ja se, että ne vaihtelisivat mahdollisimman vähän saman anturityypin kesken. Excel-taulukkoon laskettiin jokai- sen anturin tuloksista, paljonko vastusarvo nousi yhtä celsiusastetta kohden. Laskettiin myös, montako prosenttia vastusarvo nousi testatun lämpötila-alueen sisällä (kuva 10). Hyvä anturi oli sellainen, jonka vastusarvo nousi aina saman verran samanlaisten antureiden kanssa. Anturei- den resistiivisyys vaihteli eri anturityyppien sisällä paljon, mutta anturien käyttäytyminen eri läm- pötiloissa oli samankaltaista (kuva 11). Kuvaajista pyrittiin löytämään mahdollisimman lähekkäin asettuvia tuloksia ja haluttiin myös nähdä, että jokaisessa mitatun anturin käyrä on mahdollisim- man samanlainen saman testausryhmän antureilla.
KUVA 10. Testitulostaulukko anturien käyttäytymisestä −1 – +10 ºC alueella
KUVA 11. Kuvaaja testattujen anturien käyttäytymisestä
19
7 KALIBROINTISUUNNITELMA
Kalibrointisuunnitelman avulla pyrittiin helpottamaan projektin myöhemmässä vaiheessa tapahtu- vaa anturimoduulien tuotantoa siten, että tässä työssä tehdyn taulukon (taulukko 4) avulla voidaan helposti katsoa, minkä arvoinen jännitteenjakovastuksen tulee olla, kun tiedetään lämpötila-anturin ominaisuudet.
Kalibrointisuunnitelman tarkoituksena oli saada laite antamaan todenmukaisia ja haluttuja arvoja lämpötila-anturilta. Teoreettisesti tarkasteltuna tässä työssä käytetyssä laitteessa kalibrointi on hyvin yksinkertaista. Koska lämpötila-anturin resistiivisyys muuttuu suhteessa lämpötilaan, on mahdollista tehdä lämpötilanmittaus jännitteenjakoa apuna käyttämällä. AD-muunnoksen jälkeen saadaan luettua lämpötila jännitteestä ja kalibrointi tapahtuu vaihtamalla kiinteän vastuksen ar- voa. Kuvassa 12 on yksinkertaistettu piirros piirilevyllä olevasta jännitteenjakopiiristä. R1 vastaa painettua lämpötila-anturia ja R2 on piirilevyltä löytyvä kiinteä vastus, jonka arvoa muuttamalla kalibroidaan lämpötila-arvo todenmukaiseksi.
KUVA 12. Yksinkertaistettu kuva piirilevyn jännitteenjaosta
20
Lämpötilan noustessa lämpötila-anturin resistiivisyys nousee, jolloin puolestaan jännitteenjakajan ulostulojännite pienenee. Tämäntyyppistä vastusta kutsutaan PTC-termistoriksi, joka on lämpöti- lan mittauksissa yleisesti käytettyjen NTC-termistoreiden vastakohta. PTC on lyhenne sanoista Positive Temperature Coefficient, ja usein niitä käytetään ylikuormitussuojina ja lämpöelement- teinä. (7.) Tässä työssä kuitenkin PTC-termistoria hyödynnetään lämpötilan mittaamiseen sa- malla periaatteella kuin NTC-termistoria, erona vain se, että lämpötila-arvon laskemiseen käyte- tään eri kaavaa. Tässä työssä ei kuitenkaan perehdytä tarkemmin palvelimella tapahtuvaan läm- pötila laskentaan ja kaavoihin, koska tavoitteena oli ainoastaan anturin testaaminen ja kalibrointi.
Lähtökohtaisesti haluttiin mitoittaa piirilevylle tuleva kiinteän vastuksen resistanssi samaan koko- luokkaan kuin painetulla anturilla on lämpötilan ollessa −1 ºC – +2 ºC. Näin piirilevyn lähettämä mittadatan arvo asettuu 12-bittisen arvoalueen puoleen väliin ja saadaan laskettua lämpötila.
Käytännössä kuitenkaan alue ei ollut mikrokontrollerin sisäisten resistanssien takia täysi 4095- tilainen, vaan mittauksien perusteella se rajoittui 3100 tilaan lähdejännitteen ollessa noin 3,3 volt- tia. Jos kiinteän vastuksen ja anturin ominaisresistanssin ero on liian suuri, jännitteenjaossa syn- tyvän ulostulojännitteen resoluutio on liian pieni ja tarkan lämpötila-arvon tuottaminen mahdo- tonta. Esimerkiksi jos kiinteän vastuksen arvo on 10 kΩ ja painetun anturin vastusarvo kohdeläm- pötilassa on 1,0 MΩ, niin 3,3 voltin sisääntulo jännitteestä ulostulojännite on 0,0326 volttia eli käytännössä 0, jolloin palvelimella tapahtuva lämpötilan laskeminen epäonnistuu. AD-muuntimen arvo on verrannollinen ulostulojännitteen arvoon ja lämpötila lasketaan AD-muuntimen arvosta, jonka täytyy olla tietyllä alueella, että oikea lämpötila saadaan laskettua.
21
8 ANTURIN KOKOONPANO PIIRILEVYLLE
Kun oli perehdytty anturin kalibrointiin teoriassa, pystyttiin hyödyntämään opittuja asioita käytän- nössä. Painetun anturin ominaisuuksien perusteella lähdettiin kokoamaan toimivaa kokonai- suutta. Prototyypin vaatiman muun elektroniikan ollessa valmiina voitiin keskittyä antureiden ka- saamiseen piirilevylle ja sen jännitteenjaosta vastuussa olevaan osa-alueeseen.
8.1 Lämpötila-antureiden valmistelu
Testattuihin antureihin täytyi puristaa liittimet, jotta se saataisiin juotettua piirilevylle kiinni. Antu- reihin käytettiin patentoituja 1,27mm:n Crimpflex-urosliittimiä, jotka on kehitetty varta vasten pai- nettavan elektroniikan tarpeisiin. Liittimet puristettiin antureiden referenssielektrodien päälle sii- hen tarkoitetuilla Hand Crimp Tool HCT-127 -puristuspihdeillä, jotka löytyvät kuvasta 13. Liitinten puristamisen jälkeen tarkistettiin yleismittarilla sähkönjohtavuus ja se, että kaikki liittimet olivat kunnolla kiinni referenssielektrodeissa.
KUVA 13. Antureihin puristettiin liittimet juottamista varten
22
Kun liittimet saatiin puristettua kaikkiin tarvittaviin antureihin, oli vuorossa juottaminen piirilevylle.
Piirilevyjen lakkapinnoitetta täytyi hieman raapia irti, jotta liittimet saatiin kohdistettua juotospistei- siin oikein. Juotettavat pinnat puhdistettiin isopropanolilla ja pyyhittiin, jonka jälkeen pinnoille lisät- tiin hieman juotetta. Anturin liittimet juotettiin nopeasti kiinni piirilevylle, että vältyttiin liialta kuume- nemiselta, joka olisi voinut vaurioittaa anturia (kuva 14).
KUVA 14. Valmis kokoonpano ja vierellä anturi, johon on puristettu liittimet
Kun tiedettiin lämpötila-anturin vastusarvo kohdelämpötilassa, voitiin mitoittaa jännitteenjaossa käytettävä kiinteä vastus oikeaan kokoluokkaan ja juottaa se piirilevylle. Kuvasta 15 on ympyröity vastus, joka vastaa lämpötila-anturin kanssa jännitteenjaosta. Vastuksen vastusarvo määriteltiin pyöristämällä se lähimpään tarjolla olleiden pintaliitosvastusten kokoluokkaan, kun painetun antu- rin vastusarvo oli −1ºC – +2ºC. Esimerkiksi kun anturin vastusarvo oli kohdelämpötila-alueella 0,976 MΩ, valittiin kiinteän vastuksen kooksi 1,0 MΩ. Luvussa 8.3 esitellään vastusarvotaulukko, jonka mukaan valittiin anturille sopiva vastus.
23
KUVA 15. Piirilevy, johon anturi juotettiin paikoilleen, kiinteä vastus ympyröitynä 8.2 Sensorilevyn yhdistäminen kollektoriin
Kun anturin ja piirilevyn kokoonpanon oli valmiina, ryhdyttiin testaamaan, onnistuuko piirilevy lä- hettämään lämpötilatietoja kollektorille. Kun piirilevylle annettiin käyttöjännite paristolta, lähti radio käyntiin ja se alkoi etsimään kollektoria jolle lähettää lämpötilamitta-arvoja. Kollektorin roolissa toimi Raspberry Pi 3B -tietokone. Sen terminaalin kautta täytyi käynnistää palvelimen skripti, joka lähettää tietoa pilvipalveluun Bluetooth-yhteyden saatuaan. Terminaalin kautta saatiin seurattua myös samalla piirilevyn serverille lähettämää tietovirtaa.
Muita oleellisia komponentteja kokoonpanossa ovat kuvasta 16 löytyvät osat. Border-router TI CC2650 Launch pad toimi rajapintana ja loi yhteyden tiedonsiirrolle anturimoduulin ja Raspberry Pin välillä. Huawei E160E USB-modeemin avulla saatiin internetyhteys, jotta tiedot saatiin siirret- tyä palvelimelle. Sparkfun Venus GPS-moduulia käytettiin lisäämään lämpötilatietoihin sijaintitie- dot.
24
KUVA 16. Kokoonpano kollektorin kanssa. 1. Anturimoduuli 2. Border-Router 3. Raspberry Pi 3B 4. Huawei E160E USB-modeemi 5. Venus GPS-moduuli
Kaikki anturimoduulit saatiin testattua ja yhdistettyä kollektoriin. Jokaiselle piirilevylle tehtiin olo- suhdekaapissa testi, jossa se ensin jäähdytettiin huoneenlämmöstä −1 ºC:seen, jonka jälkeen lämpötila nostettiin +5 ºC:seen. Anturin lähettämää tietovirtaa seurattiin ja mitta-arvoja otettiin tal- teen tarkempaa analysointia varten. Projektille tehtyjen verkkosivujen kautta pystyttiin tarkastele- maan kuvaajaa, jossa näkyi palvelimella laskettu lämpötila ajan funktiona (kuva 17). Kuvaajasta näkyy, kuinka piirilevy, johon ei ollut juotettu painettua lämpötila-anturia oli lähettänyt lämpötila- arvoa −72 ºC. Lämpötila-anturi juotettiin paikoilleen, piirilevy käynnistettiin ja yhdistettiin kollekto- riin, joka lähetti verkkosivulle mitattuja lämpötila-arvoja. Tehdyt lämpötilamittaukset kuitenkin oli- vat käänteisiä ja eivät vastanneet todellisia lämpötila-arvoja. Virheelliset mitta-arvot johtuvat pal- velimella tehtävistä laskutoimituksista, jotka ovat vastuussa AD-muuntimen arvojen muuttami- sesta lämpötila-arvoiksi. Todettiin kuitenkin, että anturin käyttäytyminen oli lämpötilasta riippu- vaista. Siten täytyy muokata lämpötila-arvojen laskenta vastaamaan todellisuutta.
25
KUVA 17. Projektin verkkosivuilta löytyvä lämpötilakuvaaja
26
8.3 Vastusarvotaulukko
Jännitteenjakovastuksen valintaa helpottamaan tehtiin taulukko, jonka avulla tuotantovaiheessa kevennetään työtaakkaa vastusta määritellessä, kun tiedetään painetun anturin ominaisuudet.
Taulukkoon 4 on listattu anturin vastusarvo huoneenlämpötilassa eli noin +20 ºC ja sitä vastaava kiinteän jännitteenjakovastuksen arvo. Taulukko 4 on tehty e24-sarjan pintaliitosvastusten arvojen mukaisesti.
TAULUKKO 4. Kalibrointitaulukko Jännitteenjakovastuksen
vastusarvo
Anturin vastusarvo huoneenlämpötilassa
Jännitteenjakovastuksen vastusarvo
Anturin vastusarvo huoneenlämpötilassa
300 kΩ 300–315 kΩ 1,8 MΩ 1,71–1,9 MΩ
330 kΩ 316–345 kΩ 2 MΩ 1,91–2,1 MΩ
360 kΩ 346–375 kΩ 2,2 MΩ 2,11–2,3 MΩ
390 kΩ 376–410 kΩ 2,4 MΩ 2,31–2,55 MΩ 430 kΩ 411–450 kΩ 2,7 MΩ 2,56–2,85 MΩ
470 kΩ 451–490 kΩ 3 MΩ 2,86–3,15 MΩ
510 kΩ 491–535 kΩ 3,3 MΩ 3,16–3,45 MΩ 560 kΩ 536–590 kΩ 3,6 MΩ 3,46–3,75 MΩ
620 kΩ 591–650 kΩ 3,9 MΩ 3,76–4,1 MΩ
680 kΩ 651–715 kΩ 4,3 MΩ 4,11–4,5 MΩ
750 kΩ 716–785 kΩ 4,7 MΩ 4,51–4,9 MΩ
820 kΩ 786–865 kΩ 5,1 MΩ 4,91–5,35 MΩ
910 kΩ 866–955 kΩ 5,6 MΩ 5,36–5,9 MΩ
1 MΩ 0,956–1,05 MΩ 6,2 MΩ 5,91–6,55 MΩ
1,1 MΩ 1,06–1,15 MΩ 6,8 MΩ 6,56–7,15 MΩ
1,2 MΩ 1,16–1,25 MΩ 7,5 MΩ 7,16–7,95 MΩ
1,3 MΩ 1,26–1,4 MΩ 8,2 MΩ 7,95–9,1 MΩ
1,5 MΩ 1,41–1,55 MΩ 10 MΩ 9,1–10 MΩ
1,6 MΩ 1,56–1,7 MΩ
Anturimoduulin jatkokehityksessä olisi järkevää lisätä jännitteenjakovastuksia kaksi kappaletta, jolloin olisi mahdollista määrittää haluttu resistanssi tarkemmin kytkemällä vastukset sarjaan. Me- gaohmiluokassa vastusten välinen vastusero kasvaa, mitä suuremmaksi vastusarvot nousevat.
Vastusten välinen ero voi olla kahden vierekkäisen vastuksen välillä useita satoja ohmeja, jolloin on vaikea löytää anturin vastusarvoa vastaava kiinteä vastus.
27
9 YHTEENVETO
Tavoitteena opinnäytetyössä oli painettavan lämpötila-anturin testaussuunnittelu ja testaaminen.
Asetetut tavoitteet saavutettiin ja työn tuloksena saatiin testattua anturimoduulin prototyyppi onnis- tuneesti. Työ sisälsi paljon mielekästä käytännön tekemistä, joka antoi lisäintoa kirjoittamiselle.
Tässä työssä esitelty tapa käyttää painettavan elektroniikan menetelmiä lämpötila-anturin tuotta- miseen on vain yksi esimerkki, mihin monikäyttöistä painettua elektroniikka voidaan hyödyntää tu- levaisuudessa. Tekniikan ja osaamisen kehittyessä tulemme varmasti elämään yhä enemmän pai- netun elektroniikan keskellä.
Opinnäytetyön aikana opin lisää painettavan elektroniikan kanssa työskentelystä ja sain paljon uutta tietoa laboratorion henkilökunnalta. Työssä käytiin läpi Smart-Fish-hankkeen perustiedot, anturin testaamisen suunnittelu ja suunnitelman toteuttaminen. Testitulokset analysoitiin ja niiden pohjalta siirryttiin kalibroimaan anturimoduuli, jotta painetun anturin mittaamat lämpötila-arvot vastaisivat mahdollisimman tarkasti todellisuutta. Työn aikana sai siis suorittaa monipuolisia teh- täviä komponenttien juottamisesta aina olosuhdekaappitestaamiseen ja testituloksien dokumen- tointiin.
Työssä saatujen tuloksien perusteella painettu lämpötila-anturi on potentiaalisesti todellinen tuote jo lähitulevaisuudessa. Jatkokehitettävää on vielä kuitenkin jäljellä, että anturit saadaan esittä- mään tarkkaa lämpötila-arvoa. Tavoitteena ollut puolen asteen tarkkuus lämpötilan mittaamisessa jäi vielä epäselväksi ja varmistuu vasta, kun palvelimen ohjelmaan tehdään lämpötilan laskentaan tarvittavat muutokset. Testituloksien perusteella mittatarkkuus vaikutti kuitenkin lupaavalta. Pai- nettujen antureiden tulisi olla mahdollisimman tasalaatuisia ja vastusarvoiltaan samanlaisia. Antu- rimoduulin jännitteenjakopiiriä tulee muokata siten, että voidaan määrittää kiinteän vastuksen vastusarvo kohtaamaan tarkemmin painetun anturin vastusarvoa. Smart-Fish-hankkeen edetessä edellä mainitut asiat saadaan varmasti kehitettyä vastaamaan vaatimuksia ja tässä työssä saadut tulokset päästään hyödyntämään hankkeen hyväksi.
28
LÄHTEET
1. Smart-Fish. 2017. Saatavissa: http://smart-fish.eu/about/. Hakupäivä 26.10.2017.
2. D2070423P5 Grey Dielectric Paste. 2017. SunChemical Gwent Group. Saatavissa:
http://www.gwent.org/gem_data_sheets/biosensor_products/polymer_based_dielect- ric_materials/grey_dielectric_d2070423p5.pdf. Hakupäivä 20.12.2017.
3. Hoppy, A. 1997. Screen printing for the industrial user. SunChemical Gwent Group. Saa- tavissa: http://www.gwent.org/gem_screen_printing.html. Hakupäivä 16.11.2017.
4. Temperature Test Chamber VT 4002 Operating Instructions. 1996. Vötsch Industrietech- nik. Saatavissa: http://doc.es.aau.dk/fileadmin/doc.kom.aau.dk/labs_facillities/control/ma- nuals/VT4002_climate_chamber.pdf. Hakupäivä 16.11.2017.
5. Tuomaala Tomi. 2016. Elektrokemiallisten biosensorialustojen valmistus silkkipainoteknii- kalla OAMK PrinLab ympäristössä. Oulun ammattikorkeakoulu. Opinnäytetyö. Saata- vissa: https://www.theseus.fi/bitstream/handle/10024/118680/Tuo-
maala_Tomi.pdf.pdf?sequence=1&isAllowed=y. Hakupäivä 14.11.2017.
6. OAMK. 2016. FocalSpec X400 surface topography measurement system for printed elec- tronics production control. Printlab. Saatavissa: http://www.oamk.fi/hankkeet/prin-
lab/equipment/index.php?page=x400. Hakupäivä 30.11.2017.
7. PTC thermistor. Resistorguide. 2017. Saatavissa: http://www.resistorguide.com/ptc-ther- mistor/. Hakupäivä 21.11.2017.
